CN109779614B - 一种三轴光纤陀螺测斜仪 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种三轴光纤陀螺测斜仪，所述测斜仪包括圆筒形的外管、设置在外管内部的IMU短节和数据处理电路短节以及设置在外管第一端上的旋转电机短节，IMU短节包括IMU骨架，IMU骨架上依次设置有相互正交设置的X轴光纤陀螺、Y轴光纤陀螺和Z轴光纤陀螺以及X轴加速度计、Y轴加速度计和Z轴加速度计，各部分模块化设计，可拆卸式连接，具有较好的装配工艺性，基于捷联惯导系统原理，采用三轴光纤陀螺，尺寸小，精度高，不受铁磁物质的影响，克服了套管井应用中在井口寻北和小尺寸井眼寻北的局限性，特别适用于水平井及大斜度井的轨迹测量与姿态描述，可实现全范围、全姿态的自寻北和连续测量。

Description

一种三轴光纤陀螺测斜仪

技术领域

本发明实施例涉及石油开采技术领域，具体涉及一种三轴光纤陀螺测斜仪。

背景技术

随着油田开发程度的不断提高，易开采石油资源日益枯竭，油区环境和井况日趋复杂，为保证石油勘探开采质量，需要更加精准高效的油井井眼轨迹测量。油井光纤陀螺测斜仪主要用于测量套管井(油井)井眼轨迹及各处的方位角、井斜角和工具面角等参数。

目前国内广泛使用的测斜仪器主要采用磁通门技术、机械陀螺技术和光纤陀螺技术，但均有各自的缺陷和不足，产生各种弊端和限制。磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种传感器，在油井套管中根本无法使用；机械陀螺虽可以感应地球自传角速度，免除了磁干扰，却因为其结构的限制，抗振能力差，精度低，寿命短；光纤陀螺测斜仪，是基于光纤陀螺(FOG)捷联惯导测量技术和光纤通讯技术的新一代测斜仪器，作为惯性技术中的第三代陀螺，光纤陀螺是基于Sagnec效应的新一代陀螺仪，它不需要任何机械陀螺转子等转动部件，可实现全固态结构，光纤陀螺优良的抗震性能，使其在井下测量领域潜力巨大，现有的光纤陀螺测斜仪多采用双轴陀螺，在大斜度油井以及水平井(斜度达到或接近90°)内应用时测量精度差，使其使用范围严重受限。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种三轴光纤陀螺测斜仪，以解决现有的光纤陀螺测斜仪在大斜度井以及水平井中测量精度差，应用范围受限的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种三轴光纤陀螺测斜仪，所述测斜仪包括圆筒形的外管、设置在外管内部的IMU短节和数据处理电路短节以及设置在外管第一端上的旋转电机短节，所述IMU短节包括IMU骨架，所述IMU骨架上依次设置有三组相互正交设置的X轴光纤陀螺、Y轴光纤陀螺和Z轴光纤陀螺以及三组相互正交设置的X轴加速度计、Y轴加速度计和Z轴加速度计，所述数据处理电路短节包括与IMU骨架可拆卸连接的电路骨架以及设置在电路骨架上的数据处理电路板，所述旋转电机短节与数据处理电路短节相邻设置，所述旋转电机短节包括可拆卸连接在外管第一端的电机接头以及设置在电机接头内部的步进电机，所述步进电机的电机轴连接有旋转接头，所述旋转接头与电路骨架可拆卸连接。

优选的，所述测斜仪还包括第一端接头和第二端接头，所述第一端接头连接在电机接头的外端，所述第二端接头连接在外管的靠近IMU短节的第二端上。

优选的，所述IMU骨架整体呈圆柱形，所述IMU骨架上依次设置有X轴加速度计安装腔位、Y轴加速度计安装腔位、Z轴加速度计安装腔位、X轴光纤陀螺安装腔位、Y轴光纤陀螺安装腔位和Z轴光纤陀螺安装腔位，所述Z轴光纤陀螺安装腔位与Y轴光纤陀螺安装腔位之间、Y轴光纤陀螺安装腔位与X轴光纤陀螺安装腔位之间以及X轴光纤陀螺安装腔位与Z轴加速度计安装腔位之间均设置有矩形腔，所述矩形腔内均设置有电路夹板，所述电路夹板上固定有光纤陀螺信号采集电路板。

优选的，所述IMU骨架与电路骨架之间连接有吸热件，所述吸热件内包含吸热剂。

优选的，所述第二端接头与IMU骨架之间设置有散热接头，所述散热接头内包含吸热剂，所述散热接头与IMU骨架通过螺钉连接，所述散热接头外部设置有轴承，所述轴承上设置有轴承套。

优选的，所述散热接头下部呈套筒形，所述第二端接头中心设置有通孔，所述第二端接头的通孔内涂抹有导热硅树脂，所述散热接头的套筒形下部伸入至通孔内与第二端接头配合。

优选的，所述旋转接头连接在电机接头的端部，所述旋转接头的下部呈套筒形，所述旋转接头的套筒形下部插入至电机接头内并与步进电机的电机轴套接，所述电机接头的前端设置有限位销，所述旋转接头的侧面设置有开槽，所述开槽内设置有限位开关。

优选的，所述Z轴加速度计安装腔位内设置有加表夹块，所述加表夹块与IMU骨架通过螺钉连接，所述加表夹块中心设置有圆孔，所述Z轴加速度计固定在加表夹块中心的圆孔处。

优选的，所述旋转接头外部通过螺钉连接有旋转套，所述旋转套包括对半分体设置的第一半体和第二半体。

优选的，所述第一端接头与步进电机之间设置有电机隔块。

本发明实施例具有如下优点：

本发明实施例提出的三轴光纤陀螺测斜仪，利用井下探管中相互正交安置的三组光纤陀螺和三组加速度计传感器作为IMU测量单元，IMU直接安装在仪器骨架上，通过IMU测量单元测得相对惯性空间的角运动和线运动参数，并通过航迹推算实时解算出被测井眼的井斜角、井斜方位角、工具面角等信息，基于光纤陀螺，具有寿命长，响应快、能够耐冲击和振动、瞬间启动以及有很宽的动态范围等优点，且不受铁磁物质的影响，非常适合在石油套管井中测量方位，而三轴光纤陀螺的设置使寻北与测量范围不再受限制，实现了全范围、全姿态的自寻北，尺寸小，测试精度高，克服了套管井应用中在井口寻北和小尺寸井眼寻北的局限性，该仪器在水平状态下具有更好的测量性能，特别适用于水平井及大斜度井的轨迹测量与姿态描述，同时各部分模块化设计，可拆卸式连接，具有较好的装配工艺性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例1提供的一种三轴光纤陀螺测斜仪的部分爆炸结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的一种三轴光纤陀螺测斜仪的部分剖视图；

图3为本发明实施例1提供的一种三轴光纤陀螺测斜仪的部分剖视图；

图4为本发明实施例1提供的一种三轴光纤陀螺测斜仪IMU骨架的结构示意图；

图5为本发明实施例1提供的一种三轴光纤陀螺测斜仪电路骨架的结构示意图；

图6为本发明实施例1提供的一种三轴光纤陀螺测斜仪旋转接头的结构示意图；

图7为本发明实施例1提供的一种三轴光纤陀螺测斜仪旋转接头的仰视结构示意图；

图8为本发明实施例1提供的一种三轴光纤陀螺测斜仪电机接头的结构示意图；

图9为本发明实施例1提供的一种三轴光纤陀螺测斜仪散热接头的结构示意图。

图中：外管1、IMU短节2、数据处理电路短节3、旋转电机短节4、第一端接头5、第二端接头6、吸热件7、散热接头8、轴承9、IMU骨架21、X轴光纤陀螺22、Y轴光纤陀螺23、Z轴光纤陀螺24、X轴加速度计25、Y轴加速度计26、Z轴加速度计27、加表夹块28、电路骨架31、数据处理电路板32、电机接头41、步进电机42、旋转接头43、旋转套44、限位开关45、电机隔块46、轴承套91、X轴加速度计安装腔位211、Y轴加速度计安装腔位212、Z轴加速度计安装腔位213、X轴光纤陀螺安装腔位214、Y轴光纤陀螺安装腔位215、Z轴光纤陀螺安装腔位216、矩形腔217、电路夹板218、限位销411。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提出的一种三轴光纤陀螺测斜仪，如图1、图2和图3所示，结构包括圆筒形的外管1、设置在外管1内部的IMU短节2和数据处理电路短节3以及设置在外管1第一端上的旋转电机短节4，整体呈长圆筒形结构，仪器总长约1481mm，直径约55mm，尺寸小，适用于井下狭小空间。

IMU短节2包括IMU骨架21，如图4所示，IMU骨架21整体呈圆柱形，IMU骨架21上依次设置有X轴加速度计安装腔位211、Y轴加速度计安装腔位212、Z轴加速度计安装腔位213、X轴光纤陀螺安装腔位214、Y轴光纤陀螺安装腔位215和Z轴光纤陀螺安装腔位216，三组相互正交设置的X轴光纤陀螺22、Y轴光纤陀螺23和Z轴光纤陀螺24以及三组相互正交设置的X轴加速度计25、Y轴加速度计26和Z轴加速度计27分别设置在相应的安装位上，Z轴加速度计安装腔位213内设置有加表夹块28，加表夹块28与IMU骨架21通过螺钉连接，加表夹块28中心设置有圆孔，Z轴加速度计27固定在加表夹块28中心的圆孔处。

Z轴光纤陀螺安装腔位216与Y轴光纤陀螺安装腔位215之间、Y轴光纤陀螺安装腔位215与X轴光纤陀螺安装腔位214之间以及X轴光纤陀螺安装腔位214与Z轴加速度计安装腔位213之间均设置有矩形腔217，矩形腔217内均设置有电路夹板218，电路夹板218上固定有与相邻光纤陀螺对应连接的光纤陀螺信号采集电路板，可用于采集光纤陀螺测得的角速度信号，并传递至数据处理电路短节3进行导航计算，矩形腔217的设置可以保证空间位置精度的基础上，最大程度的减少了陀螺信号之间的相互干扰，提高了测量精度，并加强了结构的强度，提高仪器的使用寿命。

光纤陀螺是一种基于萨格奈克(Sagnac)效应的角速度敏感元件，无需机械转子，全固态结构，萨格奈克效应是：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度(角速度)，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间比逆着这个通道转动方向前进所需要的时间要多，也就是说，这两个前进方向上，两光束的光程相对于通道在静止时的光程都发生了变化，利用这种环路光程的变化测量环路的转动速度，与机械陀螺相比，角速度的灵敏度高了好几个数量级，利用它对角速度的高灵敏度特点，可以用它来测量地球自转的角速度矢量，再进行计算处理就能确定钻孔的倾斜方位，这个方位是相对地球北极方向的方位，也称作真北方位角，实现自寻北测量。

数据处理电路短节3包括与IMU骨架21可拆卸连接的电路骨架31以及设置在电路骨架31上的数据处理电路板32，电路骨架31的结构如图5所示。本实施例的测斜仪基于捷联惯导系统原理，惯导系统基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，之后将其变换到导航坐标系，得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息等，直接安装在载体上的惯性元件测得相对惯性空间的加速度和角加速度是沿载体轴的分量，将这些分量经过一个坐标转换方向余弦阵，可以转换到要求的计算机坐标系内的分量，如果这个矩阵可以描述载体和地理坐标系之间的关系，那么载体坐标系测得的相对惯性空间的加速度和角速度，经过转换后便可得到沿地理坐标系的加速度和角速度分量，有了已知方位的加速度和角速度分量之后，导航计算机便可根据相应的力学方程解出要求的导航和姿态参数来。

本实施例中，捷联惯性测量单元IMU(Inertial measurement unit)由3只相互正交安置的光纤陀螺仪和3只加速度计组成，不采用实体平台，将光纤陀螺和加速度计直接固定在仪器骨架上，高精度的捷联解算是实现动态测量的基础，实时解算机载计算机采用DSP高速数字处理器，完成IMU测量数据读取、数据预处理和实时计算，包括惯性传感器的误差补偿、初始对准、在线校正、滤波等，实时地计算姿态矩阵，通过姿态矩阵将加速度计测得的沿机体轴的加速度信息，变换成导航坐标系，然后进行导航计算，同时从姿态矩阵的元素中提取姿态和航向信息，利用光纤陀螺和加速度计等敏感器件测得的相对惯性空间的角运动和线运动参数，通过航迹推算实时解算出被测井眼的井斜角、井斜方位角、工具面角等信息。

旋转电机短节4与数据处理电路短节3相邻设置，旋转电机短节4包括可拆卸连接在外管1第一端的电机接头41以及设置在电机接头41内部的步进电机42，步进电机42的电机轴连接有旋转接头43，如图6和图7所示，旋转接头43与电路骨架31可拆卸连接。

旋转接头43外部通过螺钉可拆卸连接有旋转套44，旋转套44包括对半分体设置的第一半体和第二半体，旋转接头43连接在电机接头41的端部，旋转接头43的下部呈套筒形，旋转接头43的套筒形下部插入至电机接头41内并与步进电机42的电机轴套接，电机接头41的前端设置有限位销411，如图8所示，旋转接头43的侧面设置有开槽，开槽内设置有限位开关45，限位销411和限位开关45等限位机构的设置能对步进电机42与机体内敏感器件的相对位置进行限位，提高机器运行安全性。

该测斜仪还包括第一端接头5和第二端接头6，第一端接头5可拆卸连接在电机接头41的外端，第一端接头5与步进电机42之间设置有电机隔块46，第二端接头6可拆卸连接在外管1的靠近IMU短节2的第二端上。

优选的，IMU骨架21与电路骨架31之间可拆卸连接有吸热件7，吸热件7内包含吸热剂。第二端接头6与IMU骨架21之间设置有散热接头8，如图9所示，散热接头8内包含吸热剂，散热接头8与IMU骨架21通过螺钉连接，散热接头8外部设置有轴承9，轴承9上设置有轴承套91。散热接头8下部呈套筒形，第二端接头6中心设置有通孔，装配前先将第二端接头6的通孔内涂抹导热硅树脂，再将散热接头8的套筒形下部伸入至通孔内与第二端接头6配合进行装配。

测斜仪在井下工作时的温度相对较高，测试时间长，要保证IMU单元具有较好的温度适应性，通过IMU骨架21与电路骨架31之间设置吸热件7、第二端接头6与IMU骨架21之间设置散热接头8，有效实现仪器内部热均衡，可以保证敏感传感器件在合适的工作温度下工作，具有更好的温度性能，提高了整体仪器的工作时间和测量精度。

数据处理电路板32上还设置有用于控制和驱动步进电机42的驱动电路模块，驱动步进电机42旋转时，与步进电机42连接的IMU短节2、数据处理短节均一起旋转，可以提高光纤陀螺和加速度计传感器的测量精度。

现有的光纤陀螺测斜器，多存在不能实现模块化设计，结构复杂、装配工艺性差的问题，本实施例的仪器各短节之间的连接均采用套筒式装配结构，并通过螺钉固连，各部分模块化设计，可拆卸式连接，具有较好的装配工艺性。

本发明实施例的三轴光纤陀螺测斜仪，利用井下探管中相互正交安置的三组光纤陀螺和三组加速度计传感器作为IMU测量单元，IMU直接安装在仪器骨架上，测得相对惯性空间的角运动和线运动参数，通过航迹推算实时解算出被测井眼的井斜角、井斜方位角、工具面角等信息，基于三轴光纤陀螺，一方面，光纤陀螺是轻型的固态结构，它具有寿命长，响应快、能够耐冲击和振动、瞬间启动以及有很宽的动态范围等优点，而且由于光纤陀螺不受铁磁物质的影响，非常适合在石油套管井中测量方位，另一方面，三轴光纤陀螺使寻北与测量范围不再受限制，实现了全范围、全姿态的自寻北，该仪器在水平状态下具有更好的测量性能，特别适用于水平井及大斜度井的轨迹测量与姿态描述，尺寸小，测试精度高，克服了套管井应用中在井口寻北和小角度寻北的局限性。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种三轴光纤陀螺测斜仪，其特征在于，所述测斜仪包括圆筒形的外管、设置在外管内部的IMU短节和数据处理电路短节以及设置在外管第一端上的旋转电机短节，所述IMU短节包括IMU骨架，所述IMU骨架上依次设置有三组相互正交设置的X轴光纤陀螺、Y轴光纤陀螺和Z轴光纤陀螺以及三组相互正交设置的X轴加速度计、Y轴加速度计和Z轴加速度计，所述数据处理电路短节包括与IMU骨架可拆卸连接的电路骨架以及设置在电路骨架上的数据处理电路板，所述旋转电机短节与数据处理电路短节相邻设置，所述旋转电机短节包括可拆卸连接在外管第一端的电机接头以及设置在电机接头内部的步进电机，所述步进电机的电机轴连接有旋转接头，所述旋转接头与电路骨架可拆卸连接；

所述测斜仪还包括第一端接头和第二端接头，所述第一端接头连接在电机接头的外端，所述第二端接头连接在外管的靠近IMU短节的第二端上；

所述IMU骨架整体呈圆柱形，所述IMU骨架上依次设置有X轴加速度计安装腔位、Y轴加速度计安装腔位、Z轴加速度计安装腔位、X轴光纤陀螺安装腔位、Y轴光纤陀螺安装腔位和Z轴光纤陀螺安装腔位，所述Z轴光纤陀螺安装腔位与Y轴光纤陀螺安装腔位之间、Y轴光纤陀螺安装腔位与X轴光纤陀螺安装腔位之间以及X轴光纤陀螺安装腔位与Z轴加速度计安装腔位之间均设置有矩形腔，所述矩形腔内均设置有电路夹板，所述电路夹板上固定有光纤陀螺信号采集电路板；

所述IMU骨架与电路骨架之间连接有吸热件，所述吸热件内包含吸热剂；

所述第二端接头与IMU骨架之间设置有散热接头，所述散热接头内包含吸热剂，所述散热接头与IMU骨架通过螺钉连接，所述散热接头外部设置有轴承，所述轴承上设置有轴承套；

所述散热接头下部呈套筒形，所述第二端接头中心设置有通孔，所述第二端接头的通孔内涂抹有导热硅树脂，所述散热接头的套筒形下部伸入至通孔内与第二端接头配合。

2.根据权利要求1所述的一种三轴光纤陀螺测斜仪，其特征在于，所述旋转接头连接在电机接头的端部，所述旋转接头的下部呈套筒形，所述旋转接头的套筒形下部插入至电机接头内并与步进电机的电机轴套接，所述电机接头的前端设置有限位销，所述旋转接头的侧面设置有开槽，所述开槽内设置有限位开关。

3.根据权利要求1所述的一种三轴光纤陀螺测斜仪，其特征在于，所述Z轴加速度计安装腔位内设置有加表夹块，所述加表夹块与IMU骨架通过螺钉连接，所述加表夹块中心设置有圆孔，所述Z轴加速度计固定在加表夹块中心的圆孔处。

4.根据权利要求2所述的一种三轴光纤陀螺测斜仪，其特征在于，所述旋转接头外部通过螺钉连接有旋转套，所述旋转套包括对半分体设置的第一半体和第二半体。

5.根据权利要求1所述的一种三轴光纤陀螺测斜仪，其特征在于，所述第一端接头与步进电机之间设置有电机隔块。

Images